一款自動多功能輪椅的建模及尺寸設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u17603一款自動多功能輪椅的建模及尺寸設(shè)計(jì)案例 1160661.1基于人體工學(xué)的自動多功能輪椅尺寸設(shè)計(jì) 120171.1.1人體工學(xué)概述 1164781.1.2人體尺寸應(yīng)用準(zhǔn)則 1286161.1.3基于人體工學(xué)確定輪椅尺寸 2229361.2基于Solidworks進(jìn)行三維建模 4276331.2.1Solidworks軟件概述 4239981.2.2關(guān)鍵零件的實(shí)體建模 513451.2.3自動多功能輪椅的虛擬裝配 6290941.3自動多功能輪椅的動力原件選擇 7139751.1.1輪椅移動系統(tǒng)電機(jī)選擇 7288201.1.2輪椅升降系統(tǒng)電機(jī)選擇 121.1基于人體工學(xué)的自動多功能輪椅尺寸設(shè)計(jì)1.1.1人體工學(xué)概述人機(jī)工程學(xué)概念就是第二次世界大戰(zhàn)后產(chǎn)生的一門技術(shù)。除了我們常用的建模和設(shè)計(jì)外,人體工程學(xué)實(shí)際上還涉及到許多方面,例如按鈕位置的排列和解釋性詞語的設(shè)計(jì)?？偠灾?，我們所謂的人體工程學(xué)實(shí)質(zhì)上是使工具的使用適應(yīng)人體的自然形狀，從而使使用工具的人們在工作中無需主動適應(yīng)身心，從而最大程度地減少了因使用工具而引起的疲勞。工具。多功能輪椅主要用于老年人或殘疾人，因此在設(shè)計(jì)輪椅尺寸時合理使用人體工程學(xué)非常重要，這對于使用戶使用起來更加舒適方便。1.1.2人體尺寸應(yīng)用準(zhǔn)則人體尺寸數(shù)據(jù)應(yīng)該根據(jù)客觀的產(chǎn)品功能和適用對象進(jìn)行修正應(yīng)用。人體尺寸的設(shè)計(jì)主要有三個基本的應(yīng)用原則,分別是可調(diào)節(jié)性的設(shè)計(jì)原則,極限的設(shè)計(jì)原理,平均大小的設(shè)計(jì)原理[6]。除了這三個應(yīng)用原則外,還有一些為了確保和滿足機(jī)械實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)特殊的功能而對于作為接卸尺寸的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和主要依據(jù)的機(jī)械和人體尺寸而進(jìn)行的功能修正測量,為了減輕恐懼感,空間上的壓抑感或者為了更好地追求審美感受而進(jìn)行的修改,以及為了方便，舒適的實(shí)現(xiàn)機(jī)械的某項(xiàng)功能二設(shè)定的尺寸為該機(jī)器的最佳尺寸。1.1.3基于人體工學(xué)確定輪椅尺寸輪椅的尺寸主要包括座椅的整體寬度，座椅的離地距離，座椅的升降高度，座椅的深度，座椅與靠背的角度，靠背的高度，扶手的高度等。此次設(shè)計(jì)更具人體工學(xué)的要求，按照人體尺寸應(yīng)用的三大準(zhǔn)則，合理的設(shè)計(jì)輪椅的尺寸，力求機(jī)構(gòu)可以合理安全，用戶在使用時舒適方便。3-1為我國人體坐姿的尺寸示意圖,表3-1列舉了我國現(xiàn)代人體坐姿的具體數(shù)據(jù),包括坐高,坐深,坐姿肘高,小腿加足高等[7]。圖3-1人體坐姿圖表3-1人體坐姿尺寸表根據(jù)人體坐姿尺寸圖和人體坐姿尺寸表作為基準(zhǔn)，考慮到輪椅需要實(shí)現(xiàn)功能的具體結(jié)構(gòu)以及使用者操作，姿勢等因素，根據(jù)人體尺寸應(yīng)用原則對相應(yīng)的尺寸進(jìn)行了必要的修正后，確定了輪椅的尺寸如表3-2所示。輪椅參數(shù)名稱基體數(shù)值（單位：mm）輪椅總長560輪椅總高720輪椅總寬600座椅高度（可調(diào)）410—630座椅寬度500座椅深度300扶手高度230靠背高度300靠背寬度500表3-2輪椅尺寸圖1.2基于Solidworks進(jìn)行三維建模1.2.1Solidworks軟件概述solidworks軟件具有功能強(qiáng)大且具備許多組件;solidworks因其強(qiáng)大的軟件功能,易于人們學(xué)習(xí)和運(yùn)用以及科研人員的技術(shù)革命性創(chuàng)新而發(fā)展成為世界上領(lǐng)先且相對占有市場主導(dǎo)地位的三維cad系統(tǒng)解決方案;solidworks為客戶提供各種軟件設(shè)計(jì)和解決方案,減少了設(shè)計(jì)上的錯誤并且極大地提高了生產(chǎn)的質(zhì)量。不僅給我們提供了如此強(qiáng)大的軟件功能,而且還給我們提供了一種易于實(shí)現(xiàn)且又更加廣泛的可以讓每個工程師及設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)和運(yùn)用的簡易操作。。使用solidworks,整個生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)過程都是100%自動化和可以進(jìn)行編輯的,零件設(shè)計(jì),裝配體的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)線的工程示意圖完全連接在一起,并且它們具有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能以及各種簡單而又容易于人們學(xué)習(xí)和容易實(shí)現(xiàn)的操作,包括windows樣式。1.2.2關(guān)鍵零件的實(shí)體建模自動多功能輪椅基于Solidworks進(jìn)行三維建模。自動多功能輪椅的主題包括底座，升降機(jī)構(gòu)，座椅開合機(jī)構(gòu)三部分組成。這幾個部分根據(jù)人體工學(xué)確定具體尺寸后，利用Solidworks根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[8]。在實(shí)際立體建模的操作過程中,利用Solidworks立體建模處理軟件對其中的立體拉伸,切除,掃描等多項(xiàng)功能,根據(jù)立體建模圖中零件的具體結(jié)構(gòu)形狀對其模型進(jìn)行立體建模,后利用倒角，包覆等功能對零件進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化使零件更加美觀。在后續(xù)余姚修改零件時，只需要將草圖中的尺寸進(jìn)行修改就可以使建模整體修改，極為方便。圖3-2，圖3-3，圖3-4分別為底座，升降機(jī)構(gòu)和座椅開合機(jī)構(gòu)的三維建模。圖3-2底座圖3-3升降機(jī)構(gòu)圖3-4座椅開合機(jī)構(gòu)1.2.3自動多功能輪椅的虛擬裝配在solidworks中的配合關(guān)系大致可分為標(biāo)準(zhǔn)式的配合,高級式的配合和機(jī)械式的配合。其中機(jī)械配合主要用來配合齒輪等機(jī)械結(jié)構(gòu)。而此次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中用到了標(biāo)準(zhǔn)配合（重合，平行，垂直，同軸心等）來限制零件之間的位置關(guān)系和自由度，高級配合中的距離限制配合來限制套筒和導(dǎo)向桿之間的運(yùn)行距離。利用Solidworks虛擬配合后可以進(jìn)行干涉檢查，從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)是否合理，零件尺寸是否會發(fā)生干涉，從而便于修改參數(shù),可以避免在后續(xù)的實(shí)物制作中產(chǎn)生不符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品[9]。在進(jìn)行了各個零件之間的配合關(guān)系后，自動多功能輪椅的三維圖如圖3-5所示，其整體結(jié)構(gòu)左右對稱，在建模中并未給出電機(jī)。圖3-5自動多功能輪椅三維建模1.3自動多功能輪椅的動力原件選擇此次設(shè)計(jì)的自動多功能輪椅主要需要實(shí)現(xiàn)三個方面的運(yùn)動：第一是輪椅整體在相對較為平緩的路面運(yùn)動，第二是輪椅座椅可以整體上下移動，第三是輪椅的座椅可以開合。而為了實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎，需要單個輪子獨(dú)立驅(qū)動，因此選用合適的電機(jī)是實(shí)現(xiàn)輪椅功能的重中之重[10]。1.1.1輪椅移動系統(tǒng)電機(jī)選擇根據(jù)市面上現(xiàn)有的電動輪椅，其運(yùn)行時一般會遇到兩種情況：第一種是在平面地面上運(yùn)行，第二種是在緩坡上進(jìn)行爬坡。由市面上的現(xiàn)有電動輪椅可以確定以下幾種輪椅運(yùn)行的參數(shù)：輪椅在平地移動式的速度6km/h，輪椅在爬坡時的運(yùn)行速度2km/h,輪椅的最大爬坡角度15度，輪椅最大載重120kg，輪椅自重45kg，車輪直徑8寸。下面噸輪椅移動系統(tǒng)電機(jī)功率進(jìn)行計(jì)算。電機(jī)施加一個驅(qū)動輪的力矩Td,這個強(qiáng)度會促進(jìn)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)移。在驅(qū)動力矩的影響下,驅(qū)動輪從接觸到地面的位置在某一點(diǎn)上對地表施加了一個切向作用力f0,方向和速度與驅(qū)動輪所行駛的方向成正比,大小分別為驅(qū)動力矩和驅(qū)動輪滾動半徑的百分比。由于齒輪與地面的附著作用,當(dāng)齒輪驅(qū)動器的轉(zhuǎn)子對地面施加了切向作用力。面也對驅(qū)動輪施加了一個反向作用力Ft，F(xiàn)t即為輪子的驅(qū)動力。驅(qū)動力矩與驅(qū)動力的關(guān)系示意圖如圖3-6所示。圖3-6驅(qū)動力矩與驅(qū)動力的關(guān)系示意圖驅(qū)動力與驅(qū)動力矩的關(guān)系公式：(1.1)輪椅在勻速運(yùn)行時處理平衡狀態(tài)，可以列出平衡方程：(1.2)式中，F(xiàn)f——滾動阻力Fa——坡度阻力Fi——加速阻力Fj——空氣阻力由于方程為勻速運(yùn)動下的平衡方程，因此加速阻力為0，而且輪椅無論在什么情況下運(yùn)行速度都比較低，空寂阻力可以忽略不計(jì)，在后面的計(jì)算中只要考慮滾動阻力和坡度阻力就可以滾動阻力是由于車輪和地面接觸運(yùn)動時產(chǎn)生的。此次設(shè)計(jì)的輪椅是靠前輪驅(qū)動，后輪從動，為了計(jì)算方便，可按前后輪均是驅(qū)動輪的方式進(jìn)行計(jì)算，車輪受力分析圖如圖3-7所示。圖3-7車輪受力分析圖車輪在路面上進(jìn)行滾動時的受力方式如圖3-7左圖所示,地面對于車輪的法向逆作用力n的位置為作用線,由于輪胎的變形而使相對于車輪的中心線向前偏移了一定的距離a,如果把法向逆作用力n的位置從作用線上平移到與相對于車輪的中心線重合,則相對于車輪的位置和受力方式如圖3-7右圖所示,即車輪進(jìn)行滾動時由于被滾動阻力偶矩Tf。根據(jù)受力分析可得：（1.3）由于Td=Ft·r,Tf=Ff·r可得，令,則Ff=W·f,f為滾動阻力系數(shù)。查資料可取輪子于地面的滾動摩擦系數(shù)為f=0.02[11]。當(dāng)輪椅在坡道行駛的時候，前后輪的受力不同，對整個系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，其受力分析圖如圖3-8所示。圖3-8系統(tǒng)受力分析圖根據(jù)輪椅整體受力模型，分別對前后輪與路面的接觸點(diǎn)取力矩，可得前后輪受到的地面法向反作用力分別為：N1=(Gcosα·L1-Gsinα·H)/L(1.4)N2=(Gcosα·L2-Gsinα·H)/L(1.5)則有：前輪的滾動阻力：Nf1=N1f=(Gcosα·L1-Gsinα·H)f/L(1.6)后輪的滾動阻力為：Nf2=N2f=(Gcosα·L2-Gsinα·H)f/L(1.7)坡度阻力是指輪椅在坡道或者路面上高速行駛時它所承受的重力順著坡道或者路面旋轉(zhuǎn)方向的一部分力?？闪谐銎露茸枇Φ谋磉_(dá)式:Fα=Gsinα（1.8）由圖3-8輪椅整體的受力分析結(jié)果可知,前后輪所受到的與地面相同法向逆作用力不同,即前后輪對于路面的相同法向作用力不同,則整車的重力分配給前后輪的相同法向作用力分配公式為:(1.9）(1.10)則有：前輪的坡度阻力:(1.11)后輪的坡度阻力為：(1.12)將公式（1.6）（1.11）代入公式（1.2）中可得前輪的驅(qū)動力為： (1.13)將公式（1.7）（1.12）代入公式（1.2）中可得后輪的驅(qū)動力為：(1.14)電機(jī)功率計(jì)算公式為：P=Ft·V(1.15)根據(jù)多功能輪椅的尺寸設(shè)計(jì)，L1=L2=280mm,H=700mm代入計(jì)算。當(dāng)輪椅在水平路面勻速行駛時：(1.16)當(dāng)輪椅在坡度上行駛時：（1.17）（1.18）考慮到電機(jī)的輸出功率可選擇電機(jī)的功率為大于200W，經(jīng)過篩選后選用電機(jī)為250W有刷直流電機(jī)，如圖3-9所示。圖3-9電機(jī)規(guī)格圖1.1.2輪椅升降系統(tǒng)電機(jī)選擇升降部分由一個升降電機(jī)帶動，由于整個輪椅是對稱結(jié)構(gòu)，電機(jī)安裝在中間，，兩邊由兩組套筒和導(dǎo)向桿實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用，因此選用升降電機(jī)秩序考慮電機(jī)可達(dá)到的推力和行程即可。有前面的輪椅尺寸和移動電機(jī)計(jì)算可知，輪椅機(jī)械結(jié)構(gòu)可達(dá)到的行程為220mm，電機(jī)的行程不必大于機(jī)械結(jié)構(gòu)